張紅義，魏宗勇，楊小順，曹東強(qiáng)

(1.霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 霍州 035100；2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

在綜采放頂煤的過程中，由于頂煤及煤層頂板物理力學(xué)性質(zhì)的非均勻性導(dǎo)致頂煤運(yùn)移規(guī)律具有復(fù)雜性，而頂煤的破裂變形與運(yùn)移特征將直接影響到綜放工作面的頂板控制、放煤效果、采出率的提高、含矸率的降低等特性[1-2]。在放頂煤開采過程中，頂煤破碎特征與頂煤放出規(guī)律的研究一直是放頂煤開采理論研究的核心和重要內(nèi)容之一[3]。放頂煤開采研究中的一個(gè)重點(diǎn)是頂煤的冒放性。頂煤具有良好的冒放性是進(jìn)行綜放開采的基礎(chǔ)和必要條件，因此，根據(jù)頂煤冒放性的不同采取相應(yīng)的技術(shù)措施及工藝參數(shù)是實(shí)現(xiàn)綜放開采優(yōu)勢(shì)的基本條件[4-5]。

大傾角特厚煤層頂煤冒放性的影響因素眾多，且各因素相互影響。結(jié)合該煤礦礦山實(shí)際，主要從煤層強(qiáng)度、煤層賦存深度、煤體節(jié)理裂隙、煤層結(jié)構(gòu)、頂板情況等方面來評(píng)判頂煤冒放性[6]。由于頂煤在破裂變形過程中既不是完全的連續(xù)介質(zhì)，也不是純粹的松散介質(zhì)，無法單純利用力學(xué)解析方法求解頂煤變形破裂全過程，而數(shù)值模擬計(jì)算作為力學(xué)分析工具已被廣泛應(yīng)用于理論分析和工程實(shí)際[7-12]。根據(jù)煤層賦存特點(diǎn)與圍巖條件，利用FLAC3D有限差分軟件[13]對(duì)汾源煤業(yè)有限公司5號(hào)大傾角松軟特厚煤層綜放開采過程中，采場的頂煤的破裂規(guī)律和應(yīng)力分布進(jìn)行了巖石力學(xué)數(shù)值分析，試圖得到頂煤在采動(dòng)影響下的應(yīng)力分布、破壞區(qū)域和破壞烈度分布，以分析汾源煤業(yè)有限公司5號(hào)大傾角松軟特厚煤層綜放開采可行性。

1 礦井概況

汾源煤業(yè)公司井田南北走向長6.38 km，東西傾斜寬2.45 km，井田面積12.698 6 km2，呈一由東向西展布的不規(guī)則多邊形?；緲?gòu)造形態(tài)為一單斜構(gòu)造，地層近南北走向，傾向以西和北西為主，傾角一般30°左右，井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)大的斷裂構(gòu)造。

本井田主要可采煤層是5#煤層，煤層厚度為1.85～20.06 m，平均10.29 m，含0～4層夾矸，一般含矸1～2層，結(jié)構(gòu)簡單，該煤層屬全井田可采的穩(wěn)定煤層。頂板巖性為砂質(zhì)泥巖或泥巖、石灰?guī)r，底板巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖或粉砂巖。

5#煤層平均瓦斯含量為0.15 mL/(g·r)，瓦斯含量較低，為低瓦斯礦井；煤層抑制煤塵爆炸最低巖粉用量50%～70%，火焰長度33～110 mm，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性；煤層吸氧量0.49 mL/g，自燃傾向性等級(jí)Ⅱ類，屬自燃煤層。

2 頂煤冒放性評(píng)價(jià)

綜放開采頂煤的冒放性是評(píng)價(jià)頂煤可冒落、可放出的一種特性，是煤層的頂煤在支承壓力下冒落、放出難易度的度量標(biāo)準(zhǔn)，也是頂煤可冒性和可放性的綜合特征，其良好的冒放性是綜放開采的必要條件和基礎(chǔ)。現(xiàn)從以下方面對(duì)頂煤冒放性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1 煤層強(qiáng)度

煤層強(qiáng)度是煤層本身的物理力學(xué)特性，是抗破壞能力的重要指標(biāo)參數(shù)。包括煤層的單軸抗壓強(qiáng)度、粘結(jié)系數(shù)和內(nèi)摩擦角等。其單軸抗壓強(qiáng)度(Rc)是影響頂煤在壓力下破碎破壞過程和破壞程度的指標(biāo)，與頂煤的垮落角的關(guān)系密切。通過對(duì)綜放工作面的現(xiàn)場觀測(cè)，其單軸抗壓強(qiáng)度(Rc)值越大，也就是頂煤硬度更大，其垮落角就會(huì)越小。根據(jù)頂煤的冒落運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在頂煤的垮落角較小的時(shí)候，不利于頂煤的放出。頂煤垮落角和煤層單軸抗壓強(qiáng)度(Rc)的關(guān)系，如圖1所示。

圖1 煤層硬度系數(shù)與頂煤垮落角關(guān)系

對(duì)汾源煤業(yè)有限公司5#煤的煤樣進(jìn)行的力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試可得，該煤層硬度較軟，其堅(jiān)固性系數(shù)在0.17左右。由圖1可得，頂煤的垮落角大于120°，頂煤冒落容易，冒放性很好，有利于頂煤回收。

2.2 賦存深度

煤層原巖應(yīng)力的(γH)大小由煤層賦存深度(H)直接影響，同時(shí)也直接影響回采面周圍巖層內(nèi)支承壓力峰值的大小。因此，煤層賦存的深度對(duì)放頂煤綜采面的頂煤破壞破碎效果有決定性的影響。由格里菲斯強(qiáng)度理論可得，煤體強(qiáng)度(Rc)一定時(shí)，頂板巖層平均容重取值γ=2.5 t/m3；其它影響參數(shù)不變時(shí)，若要使頂煤體在支承壓力強(qiáng)大作用下被完全破壞，賦存深度(H)要滿足式(1)。

H≥26.2Rc

(1)

從上式得出：當(dāng)H值越大，頂煤的臨界破壞條件就越容易滿足；當(dāng)其單軸抗壓強(qiáng)度Rc一定時(shí)，H越大于臨界值，頂煤破碎效果就會(huì)越好，也就是頂煤冒放性越好。取5#煤層煤體平均單軸抗壓強(qiáng)度Rc為1.7 MPa，埋深為44.54 m即可進(jìn)行放頂煤開采，而5#煤層的首采工作面埋深最淺也在270 m。因此就5#煤層埋藏深度而言，能滿足綜放開采要求。

2.3 頂板條件

煤層的頂板主要包括2個(gè)部分，即基本頂和直接頂。直接頂將影響頂煤的冒落運(yùn)動(dòng)，放頂煤開采頂煤破碎冒落后順利放出的基本條件是能夠隨采隨冒并具有一定厚度的直接頂[14]。直接頂冒落厚度較小或滯后冒落，都將造成破碎冒落的頂煤垮向放出體外的采空區(qū)，最終使得頂煤不能完全放出而丟失浪費(fèi)。因此，直接頂對(duì)煤層頂煤冒放性的影響主要表現(xiàn)為兩方面：一是能隨采隨冒；二是冒落后有一定的厚度即對(duì)采空區(qū)的充填程度[15]。據(jù)現(xiàn)場觀測(cè)與相似模擬實(shí)驗(yàn)，綜放開采要求直接頂最低厚度為

∑hmin=M/Kp

(2)

式中：∑hmin—能隨采隨冒分層厚度之和，m；M—采放高度，m；Kp—巖石碎脹系數(shù)，取1.25。

通過以上計(jì)算得出，在5#煤層平均厚度為10.5 m，其巖石碎脹系數(shù)取1.25，綜放開采要求的最低直接頂厚度是8.4 m。5#煤直接頂板巖性是石灰?guī)r，厚度是2 m，雖質(zhì)地較硬但裂隙發(fā)育充分，其上部砂質(zhì)泥巖厚度為6.6 m，總計(jì)厚度在8.6 m左右，能夠滿足放頂煤對(duì)頂板垮落的要求。

2.4 夾矸影響

煤層的夾矸對(duì)頂煤冒放性的影響較大，夾矸層的巖性(硬度)、層數(shù)、層厚與空間位置對(duì)其都有影響。夾矸層軟于煤層，夾矸有利于頂煤的破碎冒落及放出，這樣就增加了頂煤的冒放特性，若夾石層數(shù)越多、硬度越軟、厚度越小，頂煤冒放性也就越好；夾矸層硬于煤層，不利于頂煤的冒放性，經(jīng)開采實(shí)踐證實(shí)，其影響主要取決于夾矸層層厚，單層夾矸層厚大于50 cm時(shí)，煤層的冒放性就主要取決于夾矸的性質(zhì)。從汾源煤業(yè)5#煤鄰近巖層構(gòu)造看，汾源煤業(yè)5#煤含夾矸1～2層，厚度不大，且多為泥巖，而煤層多呈粉末狀，基于此，夾矸對(duì)頂煤冒放性影響較小。

2.5 頂煤節(jié)理裂隙

巖體基本都含有構(gòu)造及地質(zhì)弱面，如節(jié)理、層理、斷層、裂隙及褶皺等，煤層亦是如此。從現(xiàn)場的觀測(cè)得出，綜放采煤工作面頂煤冒放性影響較大的地質(zhì)弱面就是煤的層理、裂隙和節(jié)理。因此，節(jié)理裂隙較多的煤層結(jié)構(gòu)煤體完整性差，整體強(qiáng)度就會(huì)下降，頂煤在支承壓力的強(qiáng)大作用下非常容易破碎。

同時(shí)，裂隙條數(shù)越密集，頂煤越易破碎、冒放的塊度也就越小，利于頂煤放出，也即頂煤冒放性越好；反之則越差。汾源煤業(yè)5#煤頂部煤硬度低，在取樣進(jìn)行力學(xué)測(cè)試時(shí)，不容易取到符合要求的塊煤，煤層揭露以后容易呈粉末狀，節(jié)理裂隙發(fā)育充分，更利于頂煤的冒放。

3 頂煤冒放性模擬分析

3.1 數(shù)值模型建立

以FLAC3D針對(duì)綜放開采特點(diǎn)對(duì)綜放開采中的巖層礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行較深入的研究，建立一套合理的數(shù)值模型構(gòu)建及結(jié)果分析方法，本次研究將對(duì)汾源煤業(yè)5#煤層頂煤冒放性進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

模型高度108 m，其中模擬頂板厚度37.5 m，5#煤層厚度10.5 m，底板厚度60 m；模型的走向長度200 m，兩端分別考慮30 m的邊界影響區(qū)域?？紤]到推進(jìn)方向上為基本水平，按推進(jìn)方向分析煤層冒放性及頂板破壞情況。模型上方有220 m未模擬巖層(首采面區(qū)域)按照等效載荷代替，按下式計(jì)算

σy=Hρg=220×2 500×9.81 MPa=5.4 MPa

整個(gè)模型4個(gè)立面固定法向位移，底面同樣固定法向位移。煤巖層物理力學(xué)參數(shù)按試驗(yàn)室測(cè)定數(shù)據(jù)確定，沒有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的巖層屬性按巖性的平均取值確定，模型中層理弱面用Interface模擬。模型4個(gè)邊界均以固定法向位移，底端邊界固定垂直位移。所建立模型如圖2所示，邊界條件如圖3所示。

3.2 模型結(jié)果分析

圖4和圖5分別給出了頂板破壞狀態(tài)和煤體應(yīng)力分布。其中考慮開切眼10 m范圍，每次推進(jìn)步距按10 m考慮，共推進(jìn)100 m(不包括切眼)。

頂板破壞狀態(tài)分析：從圖4可以得出，隨著工作面的不斷推進(jìn)，頂煤的頂板破壞范圍在不斷擴(kuò)大。頂煤破壞狀態(tài)較好，具有隨采隨冒性。煤壁前方1～2 m范圍內(nèi)的煤體出現(xiàn)剪切破壞的狀態(tài)，分析將會(huì)導(dǎo)致片幫發(fā)生。從圖4各推進(jìn)步距圖可見，工作面推進(jìn)至10～40 m，頂煤能夠較好垮落，頂板破壞高度從5 m逐漸增大至約12 m。工作面推進(jìn)50 m以后，頂煤能夠較好垮落，頂板破壞高度從12 m處迅速增大至約20 m。至工作面推進(jìn)80 m以后，頂煤能夠很好垮落，頂板破壞狀態(tài)趨于穩(wěn)定，頂板破壞能夠達(dá)到40 m以上。

a-模型的建立；b-應(yīng)力平衡圖圖2 數(shù)值模型圖

圖3 邊界條件

a-L=10 m;b-L=50 m;c-L=80 m;d-L=100 m圖4 頂板破壞狀態(tài)

a-L=10 m;b-L=50 m;c-L=80 m;d-L=100 m圖5 煤體應(yīng)力分布

煤體應(yīng)力分布：從圖5可以得到，隨工作面的推進(jìn)，工作面前方始終存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，有利于頂煤體的變形破壞，有利于增加頂煤的冒放性，但由于煤層較軟，現(xiàn)場會(huì)導(dǎo)致煤壁片幫增多。分析圖5中各推進(jìn)步距下超前應(yīng)力，從10 m時(shí)的8.829 6 MPa，逐步增大到50 m時(shí)的8.973 4 MPa，逐步穩(wěn)定在80 m時(shí)的10.266 MPa。

4 結(jié)論

(1)5#煤層硬度偏軟，煤層堅(jiān)固性系數(shù)平均為0.17，頂煤冒放性好；煤層節(jié)理裂隙發(fā)育較好，有利于頂煤的冒放；直接頂板裂隙發(fā)育，高度總計(jì)達(dá)到8.6 m左右，能夠滿足放頂煤對(duì)頂板垮落的要求；煤層含夾矸層厚度小，且多為泥巖，對(duì)頂煤冒放性影響不大；埋藏深度能夠滿足綜放開采的開采要求。

(2)應(yīng)用模擬軟件對(duì)5#煤層頂煤冒放性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，明確了冒落破壞特征及應(yīng)力變化情況，5#煤層采用綜放開采，初采期間頂煤冒落性較好，隨工作面不斷推進(jìn)，頂煤能夠隨采隨冒，由于煤層較軟，期間應(yīng)注意煤壁片幫帶來的危險(xiǎn)。